砷化镓PIN二极管的非线性等效电路及其应用制造技术

本发明专利技术公开了一种砷化镓ＰＩＮ二极管的非线性等效电路，属于射频／微波技术领域。该等效电路由寄生电阻、寄生电感、反向电容、正向电容、过渡区电容和开关组成。其中，反向电容、正向电容、过渡区电容并联后与开关串联，开关根据输入信号电压的变化，在反向电容、正向电容和过渡区电容之间选择。寄生电阻和寄生电感串联在等效电路中。利用本发明专利技术，实现了包含砷化镓ＰＩＮ二极管的大信号谐波平衡仿真，与现有的主流ＥＤＡ工具兼容。本发明专利技术直接用公式定义器件的非线性，解决了无源元件难以描述器件非线性的问题，可以作为子电路代入包含砷化镓ＰＩＮ二极管的电路进行谐波平衡仿真。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及射频/微波器件
，尤其涉及一种砷化镓PIN 二极管的非线性等 效电路及其应用。
技术介绍
砷化镓PIN二极管具有丰富的非线性，其电容值在开启电压之上时为几百pF，以 扩散电容为主；反偏时电容值非常小，以空间电荷区电容为主。通过微波大信号控制 砷化镓PIN 二极管的工作状态在开启态和反向之间快速切换，使电容值发生剧变从而 表现出丰富的非线性。砷化镓PIN 二极管也被称作阶跃恢复二极管 (St印-Recovery-Diode, SRD)，主要应用于宽带同步信号发生器、宽带频率综合器、 太赫兹辐射源等。利用SRD的非线性设计电路时，准确的大信号器件模型是必需的。由于SRD的非 线性主要来源于本征区阻抗随信号的变化，因而建立大信号的模型关键在于如何准确 描述本征区阻抗的非线性。通过小信号模型可以提取砷化镓PIN 二极管的非本证区阻抗参数，如接触电阻、 P+ZN+区电阻、封装寄生电阻、引线电感。这些参数值不随信号变化，可以套用小信号 参数值，直接应用于大信号模型。建立的砷化镓PIN二极管非线性等效电路，不仅要准确表征器件的非线性，同时 要与主流的EDA软件兼容，可以直接应用于电路的谐波平衡仿真，且参数提取方便。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的主要目的在于提供一种砷化镓PIN二极管非线性等效电路， 以实现包含砷化镓PIN 二极管的电路的谐波平衡仿真。 所述技术方案如下本专利技术的砷化镓PIN二极管的非线性等效电路，由寄生电阻、寄生电感、反向电 容、正向电容、过渡区电容以及选择开关组成；所述反向电容、正向电容和过渡区电 容并联后与所述选择开关串联；所述选择开关根据所述等效电路输入信号电压的变化， 在所述反向电容、正向电容和过渡区电容之间进行选择；所述寄生电阻和寄生电感串 联在所述等效电路中。，本专利技术的砷化镓PIN 二极管的非线性等效电路，当所述等效电路的输入电压大于开启电压时，所述选择开关与所述正向电容相连 接，所述正向电容的电容值由所述砷化镓PIN 二极管的扩散电容确定；当所述等效电路的输入电压小于零伏时，所述选择开关与所述反向电容相连接， 所述反向电容的电容值由所述砷化镓PIN二极管空间的电荷区电容确定；当所述等效电路的输入电压在零伏到开启电压之间时，所述选择开关与所述过渡 区电容相连接，所述过渡区电容的电容值由所述砷化镓PIN 二极管的扩散电容和空间 电荷层电容共同确定。本专利技术的砷化镓PIN二极管的非线性等效电路，所述反向电容、正向电容和过渡 区电容的电容值通过下式确定Q=《C/ — CV, CV^ 、2 cv , 陽(v + TT^) - 一 J("o)(0 < v <2 ^20C/-CV 2(C,-G0其中，Q为I区贮存电荷；Cr为反向电容的电容值；Cf为正向电容的电容值；V为 等效电路的输入电压值；①为开启电压。本专利技术的砷化镓PIN 二极管的非线性等效电路，所述寄生电阻为所述砷化镓PIN 二极管欧姆接触电阻，包括所述砷化镓PIN 二极管的P+区和N+区的欧姆接触电阻。本专利技术的砷化镓PIN二极管的非线性等效电路，所述寄生电感为引线电感，包括 所述砷化镓PIN 二极管的上电极引线和下电极引线的电感。本专利技术的砷化镓PIN 二极管的非线性等效电路的应用，当所述等效电路的输入电 压大于开启电压时，所述选择开关与所述正向电容相连接，所述正向电容的电容值由 所述砷化镓PIN 二极管的扩散电容确定；当所述等效电路的输入电压小于零伏时，所述选择开关与所述反向电容相连接， 所述反向电容的电容值由所述砷化镓PIN二极管空间的电荷区电容确定；当所述等效电路的输入电压在零伏到开启电压之间时，所述选择开关与所述过渡 区电容相连接，所述过渡区电容的电容值由所述砷化镓PIN 二极管的扩散电容和空间 电荷层电容共同确定。本专利技术的砷化镓PIN二极管的非线性等效电路的应用，所述反向电容、正向电容 和过渡区电容的电容值通过下式确定<formula>formula see original document page 6</formula>(—)其中，Q为I区贮存电荷；Cr为反向电容的电容值；Cf为正向电容的电容值；V为 等效电路的输入电压值；①为开启电压。 本专利技术提供的技术方案的有益效果是本专利技术提供的这种砷化镓PIN 二极管的非线性等效电路及应用，描述了大信号使 器件工作状态发生的变化，具体体现在电容的非线性上，电容在三种状态下表现为不同的电容值，使得器件产生丰富的高次谐波。采用SDD在Agilent-ADS中进行了等效 电路仿真，直接用公式定义器件的非线性，解决了无源元件难以描述器件非线性的问 题，可以作为子电路代入包含砷化镓PIN二极管的电路进行谐波平衡仿真。通过比较 实验结果和等效电路仿真结果，发现该电路准确吻合器件的实际特性。附图说明图1为本专利技术提供的砷化镓PIN 二极管的非线性等效电路图;图2为仅直流电流控制下的I区载流子分布曲线；图3为仅微波大信号作用下的I区载流子分布曲线；图4为直流与微波信号共同作用下I区载流子分布曲线；图5为电荷-电压关系图6为用SDD表示三态电容的砷化镓PIN 二极管的非线性等效电路； 图7为零偏的测试和等效电路仿真的输入功率-输出功率关系图比较； 图8为-3V的测试和等效电路仿真的输入功率-输出功率关系图比较； 图9为1. 2V的测试和等效电路仿真的输入功率-输出功率关系图比较； 图IO为传输线法测量欧姆接触电阻的监测图形； 图ll为传输线法测量欧姆接触电阻的测试结果与拟合曲线。具体实施例方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术实施方 式作进一步地详细描述。研究砷化镓PIN 二极管的非线性，是在大注入状态下进行的，即输入微波信号很 大，大到在没有处于直流偏置的状态时，仅微波信号也可以驱动它正常工作。大注入 状态下研究砷化镓PIN 二极管，只考虑其本征区(I区)的电荷贮存效应，而忽略其 他区域的影响，如欧姆接触电阻、重掺杂区电阻、表面漏电导、结的阻抗和寄生阻抗。 研究方法，首先定性分析载流子分布，其次用扩散方程得到精确的载流子浓度。当PIN管只传输直流信号时，重掺杂区向I区注入电子和空穴，浓度远高于I区 平衡载流子浓度。在I区边界处载流子浓度最高，而在I区内部的某一个截面上，载 流子浓度最低，浓度最低值高于或者等于I区本身的平衡载流子浓度，如图2所示。 由于I区向重掺杂区注入的少子浓度很低，载流子的复合主要发生在I区。P+区的空 穴和N+区的电子向I区的扩散既与电场有关，同时也与浓度梯度有关。当有足够大的微波信号驱动砷化镓PIN 二极管，足以使其正常工作时，I区边界 处的载流子浓度通过扩散建立起来，但边界处的浓度衰减很快，信号频率越高，则I 区边界的浓度衰减越快。在I区其他区域，载流子浓度保持不变，仍然为I区本身的 平衡载流子浓度，如图3所示。微波信号随时间变化，但I区的浓度分布却不变。微 波信号的传输是通过载流子在其平均位置上的振动实现的。这时，只要存在直流通路， 通过载流子复合，直流电流依然可以流过砷化镓PIN 二极管。由于大注入状态下，I 区边界处，即结处的载流子浓度远高于I区内部的载流子浓度，因而结相当于电学本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种砷化镓ＰＩＮ二极管的非线性等效电路，其特征在于，所述等效电路由寄生电阻、寄生电感、反向电容、正向电容、过渡区电容以及选择开关组成；所述反向电容、正向电容和过渡区电容并联后与所述选择开关串联；所述选择开关根据所述等效电路输入信号电压的变化，在所述反向电容、正向电容和过渡区电容之间进行选择；所述寄生电阻和寄生电感串联在所述等效电路中。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吴茹菲，张海英，杨浩，董军荣，黄杰，
申请(专利权)人：中国科学院微电子研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]